JP6393243B2 - Electronic component and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、無機材料基板上に銅電極を有する電子部品とその製造方法に関する。   The present invention relates to an electronic component having a copper electrode on an inorganic material substrate and a method for manufacturing the same.

電子部品には、力学的耐久性と電気的絶縁性を保証するために、無機材料からなる基板が用いられている。代表的な無機材料基板としては、珪酸ガラス、アルミナ、クォーツなどの酸化物基板、シリコン窒化物、アルミニウム窒化物などの窒化物基板、シリコン炭化物、チタン炭化物などの炭化物基板、シリコン基板が用いられている。これらの基板を用いて電子部品を作製したり、これらの基板上に、半導体、コンデンサ、抵抗器などを実装するためには、基板上に導電性電極(配線)を形成する必要がある。   For electronic parts, a substrate made of an inorganic material is used in order to ensure mechanical durability and electrical insulation. Typical inorganic material substrates include oxide substrates such as silicate glass, alumina, and quartz, nitride substrates such as silicon nitride and aluminum nitride, carbide substrates such as silicon carbide and titanium carbide, and silicon substrates. Yes. In order to fabricate electronic components using these substrates, and to mount semiconductors, capacitors, resistors, and the like on these substrates, it is necessary to form conductive electrodes (wirings) on the substrate.

このような導電性電極には、銀、銅などの導電材料が使用される。銀は、導電性や耐酸化性に優れるが、高価であることに加えて、銀原子のマイグレーション不良が発生しやすいという欠点がある。それに対し、銅は、材料コストが銀より安価であり、マイグレーション耐性に優れており、銀と同等の電気抵抗率を有することから、導電性電極に銅を使用することが望まれている。   For such a conductive electrode, a conductive material such as silver or copper is used. Silver is excellent in electrical conductivity and oxidation resistance, but has a drawback that migration failure of silver atoms tends to occur in addition to being expensive. In contrast, copper is cheaper than silver, has excellent migration resistance, and has an electrical resistivity equivalent to that of silver. Therefore, it is desired to use copper for the conductive electrode.

従来、ガラス基板のような無機材料基板上に銅電極を形成する方法としては、無電解めっき法によるもの、銅粉末が混合された銅ペーストを塗布して焼き付ける方法によるものが知られている。しかし、無機材料基板に対する銅の密着性が乏しく、無機材料基板上に銅電極を形成しても容易に剥離するという課題があった。   Conventionally, as a method for forming a copper electrode on an inorganic material substrate such as a glass substrate, a method using an electroless plating method or a method using a copper paste mixed with copper powder and baking is known. However, the adhesion of copper to the inorganic material substrate is poor, and there is a problem that even if a copper electrode is formed on the inorganic material substrate, it is easily peeled off.

この密着性に関する課題に対して、例えば、無電解銅めっき膜を形成した後、プラス電位を印加するとともに基板を加熱すること(特許文献1)、銅粉末、酸化銅粉末、Pd化合物、およびガラスフリットを配合した銅ペースト組成物を使用すること(特許文献2)が提案されている。   In response to the problem related to adhesion, for example, after forming an electroless copper plating film, a positive potential is applied and the substrate is heated (Patent Document 1), copper powder, copper oxide powder, Pd compound, and glass. It has been proposed to use a copper paste composition containing a frit (Patent Document 2).

また、無機材料基板と銅電極との間に界面層を形成することが提案されている。例えば、特許文献3には、酸素、Mn、Agを含有する銅合金膜からなる下地膜を形成すること、特許文献4には、酸化ケイ素膜と銅膜との間に、CuとCaと酸素とSiからなる成分凝集帯域を形成すること、特許文献5には、絶縁性樹脂基板と金属薄膜層との接触界面に、酸化第一銅、酸化ニッケル及び酸化コバルトの少なくとも1種を含む金属酸化物が存在することが提案されている。   It has also been proposed to form an interface layer between the inorganic material substrate and the copper electrode. For example, in Patent Document 3, a base film made of a copper alloy film containing oxygen, Mn, and Ag is formed. In Patent Document 4, Cu, Ca, and oxygen are interposed between a silicon oxide film and a copper film. Forming a component cohesive zone made of Si and Si, Patent Document 5 discloses a metal oxide containing at least one of cuprous oxide, nickel oxide and cobalt oxide at the contact interface between the insulating resin substrate and the metal thin film layer. It is proposed that things exist.

特開2007−31741号公報JP 2007-31741 A 特開平8−45339号公報JP-A-8-45339 特開2009−10089号公報JP 2009-10089 A 特開2010−103324号公報JP 2010-103324 A 特開2011−104815号公報JP 2011-104815 A

しかし、特許文献1の方法にはめっき後処理工程が必要であり、特許文献2のペースト組成物には複数の銅原料や高価なPd成分が必要とされるため、製造コストが高くなる。また、特許文献3〜5に提案された方法では、使用環境がより厳しくなる電子部品において力学的耐久性(密着性)を十分に確保することができない。そのため、無機材料基板と銅電極との密着性を一層向上させる界面層が求められていた。   However, the method of Patent Document 1 requires a post-plating process, and the paste composition of Patent Document 2 requires a plurality of copper raw materials and expensive Pd components, which increases the manufacturing cost. In addition, the methods proposed in Patent Documents 3 to 5 cannot sufficiently ensure mechanical durability (adhesion) in an electronic component that is used more severely. Therefore, an interface layer that further improves the adhesion between the inorganic material substrate and the copper electrode has been demanded.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、無機材料基板上に銅電極を有する電子部品において、基板と銅電極との密着強度が高く、銅電極の密着性が改善された電子部品とその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and in an electronic component having a copper electrode on an inorganic material substrate, the adhesion strength between the substrate and the copper electrode is high, and the adhesion of the copper electrode is improved. And its manufacturing method.

本発明者らは、無機材料基板と銅電極との界面において、銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有する界面層を形成し、当該界面層が銅を主体とする結晶粒子を分散して含むことにより、前記基板と前記銅電極との密着性が改善されることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明の以下のようなものを提供する。   The inventors of the present invention form an interface layer containing copper, manganese, silicon and oxygen at the interface between the inorganic material substrate and the copper electrode, and the interface layer contains dispersed crystal particles mainly composed of copper. As a result, it was found that the adhesion between the substrate and the copper electrode was improved, and the present invention was completed. Specifically, the following are provided according to the present invention.

(1) 無機材料基板上に銅電極を有する電子部品において、前記基板と前記銅電極との界面に銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有する界面層を備え、前記界面層は、銅を主体とする結晶粒子を分散して含む電子部品。   (1) In an electronic component having a copper electrode on an inorganic material substrate, an interface layer containing copper, manganese, silicon and oxygen is provided at the interface between the substrate and the copper electrode, and the interface layer is mainly composed of copper. Electronic parts containing dispersed crystal particles.

(2) 前記界面層は、その厚さの中央より前記銅電極側の第1の領域において、少なくともマンガンの平均濃度が銅の平均濃度より高い、上記(1)に記載の電子部品。   (2) The electronic component according to (1), wherein the interface layer has at least an average manganese concentration higher than an average copper concentration in the first region on the copper electrode side from the center of the thickness.

(3) 前記界面層は、その厚さの中央より前記基板側の第2の領域において、銅の平均濃度がマンガンの平均濃度およびシリコンの平均濃度より高い、上記(1)または(2)に記載の電子部品。   (3) In the above (1) or (2), the interface layer has an average copper concentration higher than the average manganese concentration and the average silicon concentration in the second region on the substrate side from the center of the thickness. The electronic component described.

(4) 前記第1の領域は、マンガンを主体とする酸化物を有し、前記第2の領域は、マンガンおよびシリコンを主体とする酸化物を有する、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の電子部品。   (4) Any of the above (1) to (3), wherein the first region has an oxide mainly composed of manganese, and the second region has an oxide mainly composed of manganese and silicon. Electronic component according to crab.

(5) 前記第2の領域は、前記第1の領域よりも結晶粒子を多く含有する、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の電子部品。   (5) The electronic component according to any one of (1) to (4), wherein the second region contains more crystal particles than the first region.

(6) 前記界面層の厚さは、5nm以上150nm以下である、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の電子部品。   (6) The electronic component according to any one of (1) to (5), wherein the interface layer has a thickness of 5 nm to 150 nm.

(7) 前記銅電極は、鉛ガラス成分を含有しない上記(1)〜(6)のいずれかに記載の電子部品。   (7) The said copper electrode is an electronic component in any one of said (1)-(6) which does not contain a lead glass component.

(8) 無機材料基板上に銅電極を有する電子部品の製造方法において、前記基板上に界面層を形成する界面層形成工程と、前記界面層の上に前記銅電極を形成する電極形成工程とを含み、前記界面層は、銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有し、銅を主体とする結晶粒子を分散して含むことを特徴とする電子部品の製造方法。   (8) In the manufacturing method of the electronic component which has a copper electrode on an inorganic material board | substrate, the interface layer formation process which forms an interface layer on the said board | substrate, The electrode formation process which forms the said copper electrode on the said interface layer, And the interface layer contains copper, manganese, silicon, and oxygen, and includes crystal grains mainly containing copper dispersed therein.

(9) 前記界面層形成工程は、マンガン錯体とシランカップリング剤を含む界面層原料溶液を、前記基板上に塗布した後に、加熱処理を行って前記界面層を形成することを含む、上記(8)に記載の電子部品の製造方法。   (9) The interface layer forming step includes applying an interface layer raw material solution containing a manganese complex and a silane coupling agent on the substrate, and then performing heat treatment to form the interface layer. The method for producing an electronic component according to 8).

(10) 前記界面層形成工程は、界面層原料溶液を前記基板上に塗布した後に、酸素を含有する雰囲気において、400℃以上600℃以下の温度で加熱処理を行って前記界面層を形成することを含む、上記(8)または(9)に記載の電子部品の製造方法。   (10) In the interface layer forming step, after the interface layer raw material solution is applied on the substrate, heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. to 600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere to form the interface layer. The manufacturing method of the electronic component as described in said (8) or (9) including this.

(11) 前記界面層形成工程は、界面層原料溶液を前記基板上に塗布した後に、酸素を含有する雰囲気において、150℃以上225℃以下の温度で第1の加熱処理を行い、その後、400℃以上600℃以下の温度で第2の加熱処理を行って前記界面層を形成することを含む、上記(8)〜(10)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。   (11) In the interface layer forming step, after the interface layer raw material solution is applied onto the substrate, a first heat treatment is performed at a temperature of 150 ° C. or more and 225 ° C. or less in an atmosphere containing oxygen, and then 400 The method for manufacturing an electronic component according to any one of the above (8) to (10), including performing the second heat treatment at a temperature of not less than 600C and not more than 600 ° C to form the interface layer.

(12) 前記電極形成工程は、ガラスフリットを含有しない銅ペーストを用いて前記銅電極を形成することを含む、上記(8)〜(11)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。   (12) The said electrode formation process is a manufacturing method of the electronic component in any one of said (8)-(11) including forming the said copper electrode using the copper paste which does not contain glass frit.

(13) 前記電極形成工程は、前記界面層の上に銅ペーストを塗布する工程、その後、不活性ガス雰囲気で乾燥する工程、その後、酸素を含有する雰囲気で酸化焼成する工程、その後、一酸化炭素、アルコールまたは水素を含有する雰囲気で還元する工程により、前記銅電極を形成することを含む、上記(8)〜(12)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。   (13) The electrode forming step includes a step of applying a copper paste on the interface layer, a step of drying in an inert gas atmosphere, a step of oxidizing and firing in an atmosphere containing oxygen, and then monoxide The method of manufacturing an electronic component according to any one of (8) to (12), including forming the copper electrode by a reduction step in an atmosphere containing carbon, alcohol, or hydrogen.

本発明によれば、無機材料基板上に銅電極を有する電子部品において、前記基板と前記銅電極との界面に銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有する界面層を備え、当該界面層は、銅を主体とする結晶粒子を分散して含むことにより、前記基板と前記銅電極との密着性を向上させた電子部品が得られる。また、当該電子部品を安価に効率よく製造することができる。   According to the present invention, in an electronic component having a copper electrode on an inorganic material substrate, an interface layer containing copper, manganese, silicon and oxygen is provided at the interface between the substrate and the copper electrode. By dispersing and including crystal grains mainly composed of, an electronic component having improved adhesion between the substrate and the copper electrode can be obtained. In addition, the electronic component can be efficiently manufactured at low cost.

本発明の実施例に関して界面層付近を走査電子顕微鏡で観察した組織を示す図である。It is a figure which shows the structure | tissue which observed the interface layer vicinity with the scanning electron microscope regarding the Example of this invention. 本発明の実施例に関して界面層付近の組成分析結果を示す図である。It is a figure which shows the composition analysis result of an interface layer vicinity regarding the Example of this invention. 本発明の実施例に関して界面層の断面組織の模式図である。It is a schematic diagram of the cross-sectional structure | tissue of an interface layer regarding the Example of this invention.

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、これらの記載により限定されるものではない。
(電子部品)
本発明は、無機材料基板上に銅電極を有する電子部品であり、当該銅電極は、配線として形成された銅配線も含む。かかる電子部品としては、チップ抵抗器、チップコンデンサー、太陽電池などの電子部品が挙げられる。さらに、プリント基板、スルーホールが形成された基板などの電子実装品に配線された電子部品、ディスプレイの画素スィッチングを制御するトランジスタなどに配線された電子部品が含まれる。
Hereinafter, although embodiment of this invention is described, this invention is not limited by these description.
(Electronic parts)
The present invention is an electronic component having a copper electrode on an inorganic material substrate, and the copper electrode also includes a copper wiring formed as a wiring. Such electronic components include electronic components such as chip resistors, chip capacitors, and solar cells. Furthermore, electronic components wired to electronic mounting products such as a printed circuit board, a substrate having through holes formed therein, and electronic components wired to a transistor for controlling pixel switching of a display are included.

(無機材料基板)
本発明の電子部品は、無機材料からなる基板を有する。当該基板としては、珪酸ガラス、アルミナ、クォーツなどの酸化物基板、シリコン窒化物、アルミニウム窒化物などの窒化物基板、シリコン炭化物、チタン炭化物などの炭化物基板、シリコン基板などを使用できる。
(Inorganic material substrate)
The electronic component of the present invention has a substrate made of an inorganic material. Examples of the substrate include oxide substrates such as silicate glass, alumina, and quartz, nitride substrates such as silicon nitride and aluminum nitride, carbide substrates such as silicon carbide and titanium carbide, and silicon substrates.

(界面層)
本発明の電子部品は、無機材料基板と銅電極との界面に銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有する界面層を備え、前記界面層は、銅を主体とする結晶粒子を分散して含んでいる。界面層中に銅が含まれるため、銅電極との密着性が向上する。また、シリコンと酸素が含まれるため、無機材料基板との密着性が向上する。マンガンが含まれることにより、銅マンガン酸化物およびマンガンシリコン酸化物のスピネル構造中間体を形成し、界面層を強固にすることができる。また、界面層内に分散して存在する前記結晶粒子は、その一部が基板に食い込んでアンカーの役割を果たすため、さらに密着性が向上する。
(Interface layer)
The electronic component of the present invention includes an interface layer containing copper, manganese, silicon, and oxygen at the interface between the inorganic material substrate and the copper electrode, and the interface layer contains dispersed crystal grains mainly composed of copper. Yes. Since copper is contained in the interface layer, adhesion with the copper electrode is improved. In addition, since silicon and oxygen are contained, adhesion to the inorganic material substrate is improved. By including manganese, a spinel structure intermediate of copper manganese oxide and manganese silicon oxide can be formed, and the interface layer can be strengthened. In addition, since the crystal particles dispersed and present in the interface layer partially bite into the substrate and serve as anchors, the adhesion is further improved.

本発明における界面層は、その成分の濃度分布によると、銅電極側では銅と酸素の各濃度が等しくなる移行領域が存在し、また、無機材料基板側ではシリコンと銅の各濃度が等しくなる移行領域が存在する。そこで、本発明は、界面層の銅電極側において銅と酸素の各濃度が等しくなる領域を「銅電極側境界」とし、界面層の基板側においてシリコンと銅の各濃度が等しくなる領域を「基板側境界」とした。そのため、この両者の境界で挟まれた部分が本発明の界面層に相当する。   According to the concentration distribution of the components in the interface layer of the present invention, there are transition regions where the copper and oxygen concentrations are equal on the copper electrode side, and the silicon and copper concentrations are equal on the inorganic material substrate side. There is a transition area. Therefore, in the present invention, a region where the copper and oxygen concentrations are equal on the copper electrode side of the interface layer is referred to as a “copper electrode side boundary”, and a region where the silicon and copper concentrations are equal on the substrate side of the interface layer is “ The substrate side boundary ”. Therefore, the portion sandwiched between the boundaries between the two corresponds to the interface layer of the present invention.

本発明は、界面層がその厚さの中央より前記銅電極側の第1の領域において、少なくともマンガンの平均濃度が銅の平均濃度より高いことが好ましく、当該マンガンの平均濃度は、銅の平均濃度の1.3倍以上であることが好ましい。このような濃度分布を有することによって、界面層に銅マンガン酸化物のスピネル構造中間体が形成され、銅電極側の界面層を強固にすることができる。   In the present invention, in the first region on the copper electrode side from the center of the thickness of the interface layer, it is preferable that at least the average concentration of manganese is higher than the average concentration of copper, and the average concentration of manganese is the average of copper The concentration is preferably 1.3 times or more of the concentration. By having such a concentration distribution, a spinel structure intermediate of copper manganese oxide is formed in the interface layer, and the interface layer on the copper electrode side can be strengthened.

本発明は、界面層がその厚さの中央より基板側の第2の領域において、銅の平均濃度がマンガンの平均濃度およびシリコンの平均濃度より高いことが好ましく、銅の平均濃度は、マンガン濃度の1.4倍以上であること、またシリコン濃度の1.2倍以上であることが好ましい。このような濃度分布を有することによって、シリコンおよび銅を主体とする結晶粒子が析出分散することが容易となり、基板と銅電極との密着性の向上に寄与する。   In the second aspect of the present invention, the interface layer preferably has an average copper concentration higher than the average manganese concentration and the average silicon concentration in the second region closer to the substrate than the center of the thickness. It is preferable that it is 1.4 times or more of the above and 1.2 times or more of the silicon concentration. By having such a concentration distribution, it becomes easy for crystal particles mainly composed of silicon and copper to precipitate and disperse, which contributes to improvement in adhesion between the substrate and the copper electrode.

本発明は、銅電極側の前記第1の領域にはマンガンを主体とする酸化物が形成され、基板側の前記第2の領域にはマンガンおよびシリコンを主体とする酸化物が形成されることが好ましい。当該マンガンを主体とする酸化物は、銅との密着性に優れ、当該マンガンおよびシリコンを主体とする酸化物は、無機材料基板との密着性に優れている。そのため、無機材料基板と銅電極との密着性を高めることができる。   In the present invention, an oxide mainly composed of manganese is formed in the first region on the copper electrode side, and an oxide mainly composed of manganese and silicon is formed on the second region on the substrate side. Is preferred. The oxide mainly composed of manganese is excellent in adhesiveness with copper, and the oxide mainly composed of manganese and silicon is excellent in adhesiveness with an inorganic material substrate. Therefore, the adhesion between the inorganic material substrate and the copper electrode can be improved.

本発明は、基板側の前記第2の領域において、銅電極側の前記第1の領域よりも前記結晶粒子が多く存在することが好ましい。これは、各領域において存在する結晶粒子の量が多いことを指しており、具体的には、当該結晶粒子は、第2領域における存在密度(面積率)が第1領域における存在密度(面積率)の1.2倍以上であることが好ましい。この結晶粒子は、その一部が基板に食い込んでアンカーの役割を果たして密着性を高める。そのため、基板側の第2の領域に、前記結晶粒子が多く存在することが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the second region on the substrate side has more crystal grains than the first region on the copper electrode side. This indicates that the amount of crystal particles present in each region is large. Specifically, the crystal particles have an existence density (area ratio) in the second region that is present in the first area (area ratio). ) Is preferably 1.2 times or more. A part of the crystal particles bites into the substrate and plays the role of an anchor to improve the adhesion. Therefore, it is preferable that many crystal grains exist in the second region on the substrate side.

本発明は、前記界面層の厚さが5nm以上150nm以下であることが好ましい。5nm未満であると、当該界面層による密着性が十分に得られない。150nmを超えると、界面層内部に相対的に強度が小さい弱化層が形成されるため、界面の面積4mmあたりの密着強度が10N未満に低下する傾向にある。 In the present invention, the thickness of the interface layer is preferably 5 nm or more and 150 nm or less. When the thickness is less than 5 nm, sufficient adhesion due to the interface layer cannot be obtained. When the thickness exceeds 150 nm, a weakened layer having a relatively small strength is formed inside the interface layer, and thus the adhesion strength per 4 mm 2 of the interface tends to be reduced to less than 10N.

(銅電極)
本発明における銅電極は、銅を主体とする電極であり、配線として形成されたものを含む。銅含有量をほぼ100%からなる銅電極が好ましいが、必要な導電性を損なわない範囲で不純物の含有は許容される。また、密着性を強固にする観点でガラス成分を含有することができる。ただ、鉛ガラス成分は、500℃近傍で軟化し、無機材料基板と反応して強固に接合する傾向があるので、加熱処理により銅電極を形成した後の冷却過程で、当該基板に熱変形が加わった際に基板の割れを招き易くなる。そのため、銅電極には、鉛ガラス成分を含有しないものが好ましい。
(Copper electrode)
The copper electrode in the present invention is an electrode mainly composed of copper, and includes those formed as wiring. A copper electrode having a copper content of almost 100% is preferable, but the inclusion of impurities is allowed as long as necessary conductivity is not impaired. Moreover, a glass component can be contained from a viewpoint of strengthening adhesiveness. However, since the lead glass component tends to soften near 500 ° C. and react with the inorganic material substrate to bond strongly, the substrate undergoes thermal deformation in the cooling process after the copper electrode is formed by heat treatment. When added, the substrate is likely to break. Therefore, the copper electrode preferably does not contain a lead glass component.

(製造方法)
本発明の電子部品の製造方法は、無機材料基板上に界面層を形成する界面層形成工程と、前記界面層の上に銅電極を形成する電極形成工程とを含み、前記界面層として、銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有し、銅を主体とする結晶粒子を分散した組織を形成する。
(Production method)
An electronic component manufacturing method of the present invention includes an interface layer forming step of forming an interface layer on an inorganic material substrate, and an electrode forming step of forming a copper electrode on the interface layer. In addition, a structure containing manganese, silicon, and oxygen and having dispersed crystal grains mainly composed of copper is formed.

(界面層形成工程)
本発明は、界面層形成工程において、マンガン錯体とシランカップリング剤を含む界面層原料溶液を、前記基板上に塗布した後に、加熱処理を行って前記界面層を形成することができる。
(Interface layer forming step)
In the interfacial layer forming step, the interfacial layer can be formed by applying an interfacial layer raw material solution containing a manganese complex and a silane coupling agent on the substrate and then performing a heat treatment.

(界面層原料溶液)
界面層原料溶液は、マンガン錯体、シランカップリング剤を混合して調製される。マンガン錯体は、界面層中のマンガンの原料となり、シランカップリング剤はシリコンの原料となる。マンガン錯体のシランカップリング剤に対する濃度比は、モル比にして0.1以上3.0以下が好ましい。より好ましくは、0.3以上1.0以下である。
(Interface layer raw material solution)
The interface layer raw material solution is prepared by mixing a manganese complex and a silane coupling agent. The manganese complex is a raw material for manganese in the interface layer, and the silane coupling agent is a raw material for silicon. The concentration ratio of the manganese complex to the silane coupling agent is preferably from 0.1 to 3.0 in terms of molar ratio. More preferably, it is 0.3 or more and 1.0 or less.

マンガン錯体は、次のものを使用できる。マンガン(II)アセテート、マンガン(II)ブチレート、マンガ(II)オクトエート、マンガン(II)ヘキサノエート、マンガン(II)エチルヘキサノエート、マンガン(II)アセチルアセトナート、マンガン(II)オレエート、マンガン(II)カルボニル、シクロペンタディエニルマンガントリカルボニル、シクロペンタディエニルマンガンジカルボニル、シクロペンタディエニルイソシアノシクロヘキサンマンガンジカルボニルなどがある。   The following can be used for the manganese complex. Manganese (II) acetate, manganese (II) butyrate, manga (II) octoate, manganese (II) hexanoate, manganese (II) ethyl hexanoate, manganese (II) acetylacetonate, manganese (II) oleate, manganese (II ) Carbonyl, cyclopentadienyl manganese tricarbonyl, cyclopentadienyl manganese dicarbonyl, cyclopentadienyl isocyanocyclohexane manganese dicarbonyl and the like.

シランカップリング剤は、次のものを使用できる。ビニル系の官能基を有するものとしては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシランなどがある。エポキシ系の官能基を有するものとしては、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリドキシプロピルメチルシメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシランなどがある。スチリル系の官能基を有するものとしては、p−スチリルトリメトキシシランなどがある。メタクリル系の官能基を有するものとしては、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランなどがある。アクリル系の官能基を有するものとしては、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシランなどがある。アミノ系の官能基を有するものとしては、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(ビニルベンジル)−2−アミノエチル−3−アミノプロピルトリメトキシシランの塩酸塩などがある。ウレイド系の官能基を有するものとしては、3−ウレイドプロピルトリエトキシシランなどがある。メルカプト系の官能基を有するものとしては、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどがある。スルフィド系の官能基を有するものとしては、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィドなどがある。イソシアネート系の官能基を有するものとしては、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシランなどがある。   The following can be used for the silane coupling agent. Examples of vinyl functional groups include vinyltrimethoxysilane and vinyltriethoxysilane. Examples of those having an epoxy functional group include 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-gridoxypropylmethylcimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and 3-glycid Examples include xylpropylmethyldiethoxysilane and 3-glycidoxypropyltriethoxysilane. Examples of those having a styryl functional group include p-styryltrimethoxysilane. Examples of those having a methacrylic functional group include 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, and 3-methacryloxypropyltriethoxysilane. . Examples of those having an acrylic functional group include 3-acryloxypropyltrimethoxysilane. As those having an amino functional group, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2- ( Aminoethyl) -3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-triethoxysilyl-N- (1,3-dimethyl-butylidene) propylamine, N- Examples thereof include phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane and N- (vinylbenzyl) -2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane hydrochloride. Examples of those having a ureido functional group include 3-ureidopropyltriethoxysilane. Examples of mercapto-based functional groups include 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane and 3-mercaptopropyltrimethoxysilane. Examples of those having a sulfide-based functional group include bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide. Examples of those having an isocyanate functional group include 3-isocyanatopropyltriethoxysilane.

(塗布方法)
基板上に原料溶液を塗布する方法は、バーコティング、スリットコーティング、スピンコーティング、ディップコーティング法などを使用できる。ディップコーティングの際は、塗布膜の厚さを均一にするために、シリコン基板を原料溶液の浴から取り出しながら空気や窒素などのガスを吹きつけて余分に付着した溶液を除去すると良い。また、スプレーコーティング法によって基板表面に原料溶液を吹き付けても良い。ノズル形状とスプレー圧力を制御することによって膜厚を制御することができる。
(Application method)
As a method for applying the raw material solution on the substrate, bar coating, slit coating, spin coating, dip coating, or the like can be used. At the time of dip coating, in order to make the thickness of the coating film uniform, it is preferable to remove the excessively adhered solution by blowing a gas such as air or nitrogen while taking out the silicon substrate from the raw material solution bath. Further, the raw material solution may be sprayed on the substrate surface by a spray coating method. The film thickness can be controlled by controlling the nozzle shape and spray pressure.

(加熱処理)
本発明は、界面層原料溶液を基板上に塗布した後に、酸素を含有する雰囲気において400℃以上600℃以下の温度で加熱処理を行って前記界面層を形成することができる。加熱温度が400℃未満であると、原料溶液中の有機成分が残存して界面層の密着強度を低下させる。600℃を超えると、界面層の構成元素であるシリコンが他の元素より酸化されやすいため、シリコンが界面層表面に拡散して界面層表面でシリコン酸化物となり、その後に形成する銅配線との密着性が悪化する傾向がある。そのため、加熱温度は、400℃以上600℃以下が好ましい。
(Heat treatment)
In the present invention, after the interface layer raw material solution is applied on the substrate, the interface layer can be formed by performing heat treatment at a temperature of 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower in an oxygen-containing atmosphere. When the heating temperature is less than 400 ° C., the organic components in the raw material solution remain and the adhesion strength of the interface layer is lowered. When the temperature exceeds 600 ° C., silicon, which is a constituent element of the interface layer, is more easily oxidized than other elements, so that silicon diffuses to the surface of the interface layer and becomes silicon oxide on the surface of the interface layer. There is a tendency for adhesion to deteriorate. Therefore, the heating temperature is preferably 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.

酸素を含有する雰囲気としては、酸素濃度100ppm以上を含有する窒素ガスまたは不活性ガスなどの酸化雰囲気が好適であり、大気中でもよい。全圧が大気圧であれば、100ppm以上の酸素濃度は、100Pa以上の酸素分圧に相当する。酸素濃度が100ppmより低いと、酸化が十分に進行しないので、上記の加熱温度の範囲であっても、溶液由来の炭素が残存して銅配線の密着性を損なう恐れがある。   As the atmosphere containing oxygen, an oxidizing atmosphere such as nitrogen gas or inert gas containing an oxygen concentration of 100 ppm or more is suitable, and it may be in the air. If the total pressure is atmospheric pressure, an oxygen concentration of 100 ppm or more corresponds to an oxygen partial pressure of 100 Pa or more. When the oxygen concentration is lower than 100 ppm, the oxidation does not proceed sufficiently, so that carbon derived from the solution may remain and impair the adhesion of the copper wiring even in the above heating temperature range.

本発明は、酸素を含有する雰囲気において、150℃以上225℃以下の温度で第1の加熱処理を行い、その後、400℃以上600℃以下の温度で第2の加熱処理を行って前記界面層を形成することができる。
第1の加熱処理は、界面層原料溶液中の有機溶媒を揮発除去して、乾燥させる処理である。加熱温度が150℃未満であると、有機溶媒が残存した状態で、次の第2の加熱処理で高温焼成される結果、高温焼成後の界面層中に炭素成分を含有した状態となり、界面層の強度低下を招く。また、第1の加熱処理時には、マンガン錯体とシランカップリング剤との反応が界面層内で局所的に開始するが、加熱温度が225℃を超えると、マンガン錯体とシランカップリング剤が界面層全体で均一に反応するため、高温焼成後の界面層において、第2の加熱処理により必要な濃度分布および組織を得ることが困難になり、密着性の低下を招く。そのため、第1の加熱処理の温度は、150℃以上225℃以下が好ましい。
In the present invention, the first heat treatment is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 225 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen, and then the second heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Can be formed.
The first heat treatment is a treatment for evaporating and removing the organic solvent in the interface layer raw material solution and drying it. When the heating temperature is less than 150 ° C., the organic solvent remains, and as a result of high-temperature baking in the next second heat treatment, the interface layer after high-temperature baking contains a carbon component, and the interface layer The strength is reduced. Further, during the first heat treatment, the reaction between the manganese complex and the silane coupling agent starts locally in the interface layer. However, when the heating temperature exceeds 225 ° C., the manganese complex and the silane coupling agent are converted into the interface layer. Since it reacts uniformly as a whole, it becomes difficult to obtain a necessary concentration distribution and structure by the second heat treatment in the interface layer after high-temperature firing, resulting in a decrease in adhesion. Therefore, the temperature of the first heat treatment is preferably 150 ° C. or higher and 225 ° C. or lower.

次いで、第2の加熱処理は、基板上に付着する無機成分から酸化物を生成して、焼成する処理である。加熱温度が400℃未満であると、酸化物の生成が十分に行われず、密着性が低下する。加熱温度が600℃を超えると、基板と同様の安定した無機材料基板となり、また、界面層内のシリコンが界面層表面に拡散してシリコン酸化物層を形成するため、その後に形成する銅配線との密着強度の低下を招く。そのため、第2の加熱処理の温度は、400℃以上600℃以下が好ましい。   Next, the second heat treatment is a treatment in which an oxide is generated from an inorganic component adhering to the substrate and is fired. When the heating temperature is less than 400 ° C., the oxide is not sufficiently generated and the adhesion is deteriorated. When the heating temperature exceeds 600 ° C., it becomes a stable inorganic material substrate similar to the substrate, and silicon in the interface layer diffuses to the surface of the interface layer to form a silicon oxide layer. This causes a decrease in adhesion strength. Therefore, the temperature of the second heat treatment is preferably 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.

(銅ペースト)
銅ペーストは、銅粒子、バインダー樹脂、溶剤等を混合して調製されている。
(Copper paste)
The copper paste is prepared by mixing copper particles, a binder resin, a solvent, and the like.

(銅粒子)
銅ペーストに含まれる銅粒子は、粒子中の酸素濃度を0.05質量%以上、2.0質量%以下とする。より好ましくは、上限濃度が1.0質量%以下であれば良い。酸素濃度が2.0質量%を超えると金属粒子の酸化の程度が顕著となり、銅ペースト中において凝集する傾向が強くなり、印刷性が悪化する。また、その後の焼成によっても酸化金属が十分に還元されずに焼成後の配線抵抗が増加する。一方、酸素濃度は可能な限り低いことが望ましいが、アトマイズ法などで作製された金属粒子中の酸素濃度を0.05質量%未満とするためには、還元ガス中での処理が必要となるため、コスト高となり好ましくない。
粒子中に含有される銅以外の金属元素の総量濃度は、1.0質量%以下、より好ましく
は0.8質量%以下に抑制する。
(Copper particles)
The copper particles contained in the copper paste have an oxygen concentration in the particles of 0.05% by mass or more and 2.0% by mass or less. More preferably, the upper limit concentration may be 1.0% by mass or less. When the oxygen concentration exceeds 2.0% by mass, the degree of oxidation of the metal particles becomes remarkable, the tendency to aggregate in the copper paste becomes strong, and the printability deteriorates. Further, the metal resistance is not sufficiently reduced by subsequent firing, and the wiring resistance after firing increases. On the other hand, it is desirable that the oxygen concentration is as low as possible. However, in order to make the oxygen concentration in the metal particles produced by the atomizing method or the like less than 0.05% by mass, a treatment in a reducing gas is required. For this reason, the cost increases, which is not preferable.
The total concentration of metal elements other than copper contained in the particles is suppressed to 1.0% by mass or less, more preferably 0.8% by mass or less.

銅粒子は、ガスアトマイズ法、または水アトマイズ法などの方法で製造された粒子が好ましい。粒子の最大直径(dmax)と最少直径(dmin)の比で定義されるアスペクト比(dmax/dmin)の平均値が1.0以上、2.2より小さければよく、1.0以上2.0以下であることが好ましい。銅粒子の平均アスペクト比が2.2を超える場合は、粒子形状が扁平なフレーク状や針状粒子となり、スクリーン印刷の際に目詰まりが発生する。また、印刷後の配線における銅粒子の充填率が悪化して配線形状の垂れを誘発するとともに、空隙率が増加することによって焼結性が悪化して焼成後の配線抵抗を上昇させる原因となる。   The copper particles are preferably particles produced by a method such as a gas atomization method or a water atomization method. The average value of the aspect ratio (dmax / dmin) defined by the ratio of the maximum diameter (dmax) and the minimum diameter (dmin) of the particles should be 1.0 or more and smaller than 2.2. The following is preferable. When the average aspect ratio of the copper particles exceeds 2.2, the particle shape becomes flat flaky or acicular particles, and clogging occurs during screen printing. In addition, the filling rate of the copper particles in the printed wiring is deteriorated to induce the drooping of the wiring shape, and the porosity is increased, thereby causing the sintering property to deteriorate and increasing the wiring resistance after firing. .

(バインダー樹脂)
導電性ペーストに含有される有機ビヒクル中のバインダー樹脂の質量%は、0.05%より大きく、17.0%より小さいことが好ましい。バインダー樹脂は、焼成によって分解される樹脂であれば良い。例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などがある。これらの中で、焼成雰囲気に含まれる微量酸素あるいは微量一酸化炭素と反応してペースト中から容易に消失する傾向があるセルロース系樹脂を用いると良い。さらに好ましくは、セルロース系樹脂の中で、エチルセルロースを用いると良い。
(Binder resin)
The mass% of the binder resin in the organic vehicle contained in the conductive paste is preferably larger than 0.05% and smaller than 17.0%. Binder resin should just be resin decomposed | disassembled by baking. Examples thereof include cellulose resins such as methyl cellulose, ethyl cellulose, and carboxymethyl cellulose, acrylic resins, butyral resins, alkyd resins, epoxy resins, and phenol resins. Among these, it is preferable to use a cellulose resin that tends to easily disappear from the paste by reacting with a trace amount of oxygen or a trace amount of carbon monoxide contained in the firing atmosphere. More preferably, among cellulose resins, ethyl cellulose is used.

(溶剤)
導電性ペーストに含有される溶剤は、適正な沸点、蒸気圧、粘性を有するものであれば、特に制限はない。例えば、炭化水素系溶剤、塩素化炭化水素系溶剤、環状エーテル系溶剤、アミド系溶剤、スルホキシド系溶剤、ケトン系溶剤、アルコール系化合物、多価アルコールのエステル系溶剤、多価アルコールのエーテル系溶剤、テルペン系溶剤、およびこれらの混合物が挙げられる。これらの中で、沸点が200℃近傍にあるテキサノール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テルピネオールを用いることが好ましい。
(solvent)
The solvent contained in the conductive paste is not particularly limited as long as it has an appropriate boiling point, vapor pressure, and viscosity. For example, hydrocarbon solvents, chlorinated hydrocarbon solvents, cyclic ether solvents, amide solvents, sulfoxide solvents, ketone solvents, alcohol compounds, polyhydric alcohol ester solvents, polyhydric alcohol ether solvents , Terpene solvents, and mixtures thereof. Among these, it is preferable to use texanol, butyl carbitol, butyl carbitol acetate, or terpineol having a boiling point near 200 ° C.

(電極形成)
本発明は、界面層を備えた基板上に前記銅ペーストをスクリーン印刷法などによって印刷した後に、乾燥し、酸素を含有する雰囲気で酸化焼成し、アルコールまたは水素を含有する雰囲気で還元することにより、上記の界面層上に銅電極を形成することができる。銅ペーストの酸化、還元によって、銅ペーストと界面層とが反応し、望ましい濃度分布および組織を形成し、密着性の向上に寄与する。
(Electrode formation)
In the present invention, the copper paste is printed on a substrate having an interface layer by a screen printing method or the like, then dried, oxidized and fired in an atmosphere containing oxygen, and reduced in an atmosphere containing alcohol or hydrogen. A copper electrode can be formed on the interface layer. By oxidation and reduction of the copper paste, the copper paste and the interface layer react to form a desirable concentration distribution and structure, thereby contributing to the improvement of adhesion.

銅ペーストを印刷した後、まず、不活性ガス雰囲気中で150℃〜250℃の温度で加熱して乾燥することが好ましい。この加熱により揮発性の高い溶媒が除去される。不活性ガスとして、窒素ガス、アルゴンガスなどを使用できる。
その後、第一段階の加熱処理として、酸素を含む酸化性雰囲気中で350℃〜600℃の温度で1分〜15分の焼成(焙焼)を行うことが好ましい。この加熱により樹脂成分を除去するとともに、銅粒子が酸化銅に変化する。酸素濃度が体積比で500ppm以上の酸化性雰囲気が好ましい。加熱が350℃未満または1分未満であると、樹脂の消失が十分でなく電極配線中に樹脂の残存を招く。600℃超または15分超であると、過度に酸化が進行し、針状形態の酸化第二銅の生成割合が高まることにより緻密な焼結体の生成を阻害する恐れがある。
After printing the copper paste, it is preferable to first dry by heating at a temperature of 150 ° C. to 250 ° C. in an inert gas atmosphere. This heating removes the highly volatile solvent. Nitrogen gas, argon gas, etc. can be used as the inert gas.
Then, it is preferable to perform baking (roasting) for 1 minute-15 minutes at the temperature of 350 to 600 degreeC in the oxidizing atmosphere containing oxygen as heat processing of a 1st step. The resin component is removed by this heating, and the copper particles are changed to copper oxide. An oxidizing atmosphere having an oxygen concentration of 500 ppm or more by volume is preferable. If the heating is less than 350 ° C. or less than 1 minute, the disappearance of the resin is not sufficient, and the resin remains in the electrode wiring. If it exceeds 600 ° C. or more than 15 minutes, oxidation proceeds excessively, and the production rate of acicular cupric oxide may increase, which may inhibit the production of a dense sintered body.

次いで、第二段階の加熱処理として、一酸化炭素、アルコール、または水素を含む還元性雰囲気中で350℃〜600℃の温度で1分〜15分の焼成を行うことが好ましい。この加熱により酸化銅粒子が銅粒子に還元されて銅粒子の焼結が行われる。加熱が350℃未満または1分未満であると、酸化銅の還元が十分でなく電気抵抗率の増大を招く。600℃超または15分超であると、銅電極と界面層及び基板との反応が生じて電気抵抗率の増大を招く恐れがある。また、一酸化炭素、アルコール、または水素は、体積比で1〜15%を含む雰囲気が好ましい。   Next, as the second stage heat treatment, it is preferable to perform firing for 1 minute to 15 minutes at a temperature of 350 ° C. to 600 ° C. in a reducing atmosphere containing carbon monoxide, alcohol, or hydrogen. By this heating, the copper oxide particles are reduced to copper particles, and the copper particles are sintered. When the heating is less than 350 ° C. or less than 1 minute, the reduction of copper oxide is not sufficient and the electrical resistivity is increased. If it exceeds 600 ° C. or more than 15 minutes, a reaction between the copper electrode, the interface layer and the substrate may occur, leading to an increase in electrical resistivity. In addition, an atmosphere containing 1 to 15% by volume of carbon monoxide, alcohol, or hydrogen is preferable.

得られた電子部品用基板の銅電極上には、半導体トランジスタ、抵抗器、コンデンサなどの電子実装品をハンダ付けして電子部品とすることができる。   An electronic component such as a semiconductor transistor, a resistor, or a capacitor can be soldered on the copper electrode of the obtained electronic component substrate to obtain an electronic component.

以下、本発明を実施例に基づく、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの説明に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these description.

<実施例1>
市販の硬質ガラス基板(長さ20mm×20mm、厚さ0.6mm)を用いた。基板表面をアセトンとアルコールで脱脂洗浄した。界面層の原料溶液は、マンガン錯体として酢酸マンガン(II)四水和物を、シランカップリング剤として3―アミノプロピルトリエトキシシランを、それぞれエチルアルコールと混合して作製した。マンガン錯体およびシランカップリング剤の総量は、体積比でエチルアルコールに対して90%とした。原料溶液をスピンコート法によってガラス基板上に塗布した。マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)を0.1以上3.0以下の範囲で種々変えて塗布した。
<Example 1>
A commercially available hard glass substrate (length 20 mm × 20 mm, thickness 0.6 mm) was used. The substrate surface was degreased and washed with acetone and alcohol. The raw material solution for the interface layer was prepared by mixing manganese acetate (II) tetrahydrate as a manganese complex and 3-aminopropyltriethoxysilane as a silane coupling agent with ethyl alcohol. The total amount of manganese complex and silane coupling agent was 90% by volume with respect to ethyl alcohol. The raw material solution was applied on a glass substrate by spin coating. The molar concentration ratio (Mn / Si) of the manganese complex to the silane coupling agent was varied and applied in the range of 0.1 to 3.0.

次に、上記の塗布されたガラス基板を焼成炉内に配置し、大気中で180℃、10分間の乾燥処理を施して、上記原料溶液中のエチルアルコールを主とする有機成分を除去した。その後、当該ガラス基板を、大気中で450℃、10分間の焼成処理を施して、マンガンとシリコンを含む界面層を12nmの厚みでガラス基板上に形成した。   Next, the coated glass substrate was placed in a baking furnace and subjected to a drying treatment at 180 ° C. for 10 minutes in the atmosphere to remove organic components mainly ethyl alcohol in the raw material solution. Then, the said glass substrate was baked at 450 degreeC for 10 minute (s) in air | atmosphere, and the interface layer containing manganese and silicon was formed on the glass substrate with the thickness of 12 nm.

その後、当該界面層の上で基板中央に、ガラスフリットを含まない銅ペーストを、スクリーン印刷法により一辺が2mmの正方形で厚みが約20μmの電極形状となるよう塗布し、複数の電極を形成した。そして、当該基板を焼成炉内に配置し、1000ppmの酸素を含む窒素ガス中で400℃、10分間の加熱による酸化処理を行い、次いで、5%の水素を含む窒素ガス中で550℃、10分間の加熱による還元処理を行い、当該基板上に銅電極を形成し、試験用基板を得た。   Thereafter, a copper paste not containing glass frit was applied to the center of the substrate on the interface layer so as to form a 2 mm square electrode having a thickness of about 20 μm by screen printing to form a plurality of electrodes. . Then, the substrate is placed in a baking furnace, subjected to an oxidation treatment by heating at 400 ° C. for 10 minutes in nitrogen gas containing 1000 ppm of oxygen, and then at 550 ° C. in nitrogen gas containing 5% hydrogen. A reduction treatment by heating for a minute was performed, a copper electrode was formed on the substrate, and a test substrate was obtained.

上記の銅ペーストには、エチルセルロース5質量%およびテキサノール95質量%からなる有機ビヒクルを、銅粒子が88質量%、当該有機ビヒクルが12質量%となるように混練して作製したものを使用した。上記の銅粒子の10%径は0.7μm、50%径は1.3μm、90%径は2.2μm、平均アスペクト比は1.2であった。   The copper paste was prepared by kneading an organic vehicle composed of 5% by mass of ethyl cellulose and 95% by mass of texanol so that the copper particles were 88% by mass and the organic vehicle was 12% by mass. The copper particles had a 10% diameter of 0.7 μm, a 50% diameter of 1.3 μm, a 90% diameter of 2.2 μm, and an average aspect ratio of 1.2.

(密着強度)
試験用基板の密着性に関する評価試験を説明する。
密着強度の評価をJIS規格C60068−2−21に準拠して実施した。試験用基板の銅電極表面にクリームハンダを塗布し、その上に銅製の治具を取り付けた後、加熱して当該治具と銅電極とをハンダ接合し、試験体を作製した。当該試験体のガラス基板の部分を引張試験機に固定し、銅電極に取り付けられた治具に引張荷重を付加した。引張荷重が付加された銅電極の面積は、4mm(=2mm×2mm)であった。試験用基板から治具が引き剥がされた時の引張荷重(単位N(ニュートン))を測定し、4mm当たりの密着強度とした。密着性に関しては、10N以上を良好(合格)、10N未満を不良(不合格)と判定した。その試験結果を表1に示す。
(Adhesion strength)
An evaluation test relating to the adhesion of the test substrate will be described.
The adhesion strength was evaluated according to JIS standard C60068-2-21. Cream solder was applied to the copper electrode surface of the test substrate, a copper jig was attached thereon, and then the jig was soldered to the copper electrode by heating to prepare a test specimen. The glass substrate portion of the test body was fixed to a tensile tester, and a tensile load was applied to a jig attached to the copper electrode. The area of the copper electrode to which the tensile load was applied was 4 mm 2 (= 2 mm × 2 mm). The tensile load (unit N (Newton)) when the jig was peeled off from the test substrate was measured to obtain the adhesion strength per 4 mm 2 . Regarding adhesion, 10N or more was judged as good (pass), and less than 10N was judged as bad (fail). The test results are shown in Table 1.

表1に示すように、マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)が0.3以上、1.7以下の範囲において、密着強度が10N以上であった。当該モル濃度比が0.3未満の場合は、界面層中のマンガン濃度が充分でないため、界面層を強固にするために必要な銅マンガン酸化物ならびにマンガンシリコン酸化物のスピネル構造中間体の形成が阻害されると考えられる。また、当該モル濃度比が1.7を超えると、界面層中のシリコン濃度が充分でないため、無機材料基板との密着性を向上するために必要なシリコンを主体とする酸化物の形成が阻害されると考えられる。   As shown in Table 1, the adhesion strength was 10 N or more when the molar concentration ratio (Mn / Si) of the manganese complex to the silane coupling agent was 0.3 or more and 1.7 or less. If the molar concentration ratio is less than 0.3, the manganese concentration in the interface layer is not sufficient, so that the formation of the spinel structure intermediate of copper manganese oxide and manganese silicon oxide necessary for strengthening the interface layer Is thought to be inhibited. Also, if the molar concentration ratio exceeds 1.7, the silicon concentration in the interface layer is not sufficient, so that the formation of oxide mainly composed of silicon necessary for improving the adhesion to the inorganic material substrate is hindered. It is thought that it is done.

<実施例2>
マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)を0.5としたこと、界面層の厚さを2〜300nmの範囲で種々変えたこと以外は、実施例1と同様の手順により試験用基板を作製し、4mm当たりの密着強度を測定した。スピンコート時の原料滴下量、回転数、塗布回数を変えることにより、界面層を種々の厚さで塗布した。表2に試験結果を示す。
<Example 2>
The same procedure as in Example 1 except that the molar concentration ratio (Mn / Si) of the manganese complex to the silane coupling agent was 0.5, and the thickness of the interface layer was variously changed in the range of 2 to 300 nm. Then, a test substrate was prepared, and the adhesion strength per 4 mm 2 was measured. The interface layer was applied in various thicknesses by changing the amount of material dripping, the number of revolutions, and the number of coatings during spin coating. Table 2 shows the test results.

表2に示すように、界面層の厚さは、5nm以上、150nm以下の範囲において、密着強度が10N以上であり、良好な密着性を示した。5nm未満では十分な密着作用が得られなかった。また、150nmを超えると密着強度が低下したが、これは、界面層内部に相対的に強度が小さい層が形成されたことによると考えられる。   As shown in Table 2, the thickness of the interface layer was in the range of 5 nm or more and 150 nm or less, and the adhesion strength was 10 N or more, indicating good adhesion. If the thickness is less than 5 nm, sufficient adhesion cannot be obtained. In addition, when the thickness exceeds 150 nm, the adhesion strength is lowered. This is considered to be due to the formation of a relatively low strength layer inside the interface layer.

<実施例3>
マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)を0.5とした点、乾燥温度を100〜250℃の範囲で種々変えた点を除いて、実施例1と同様の手順により、試験用基板を作製し、4mm当たりの密着強度を測定した。表3に試験結果を示す。
<Example 3>
Except for the point that the molar concentration ratio of manganese complex to silane coupling agent (Mn / Si) was 0.5 and the drying temperature was variously changed in the range of 100 to 250 ° C., the same procedure as in Example 1 was followed. A test substrate was prepared, and the adhesion strength per 4 mm 2 was measured. Table 3 shows the test results.

表3に示すように、界面層の乾燥温度は、150℃以上、225℃以下の範囲において、密着強度が10N以上であり、良好な密着性を示した。150℃未満では、有機溶媒が十分に除去できなかったため、高温焼成後の界面層中に炭素成分が含有されて界面層の強度が低下した。また、225℃を超えると密着強度が低下した。これは、マンガン錯体とシランカップリング剤が界面層全体で均一に反応しやすくなり、高温焼成後の界面層において密着性に寄与する濃度分布や組織が得られなかったことによる考えられる。   As shown in Table 3, the drying temperature of the interface layer was in the range of 150 ° C. or more and 225 ° C. or less, and the adhesion strength was 10 N or more, indicating good adhesion. When the temperature was lower than 150 ° C., the organic solvent could not be sufficiently removed, so that the carbon component was contained in the interface layer after high-temperature firing, and the strength of the interface layer was lowered. Moreover, when it exceeded 225 degreeC, the adhesive strength fell. This is presumably because the manganese complex and the silane coupling agent easily react uniformly in the entire interface layer, and the concentration distribution and structure contributing to adhesion in the interface layer after high-temperature firing were not obtained.

<実施例4>
マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)を0.5とした点、焼成温度を350〜650℃の範囲で種々変えた点を除いて、実施例1と同様の手順により、試験用基板を作製し、4mm当たりの密着強度を測定した。表4に試験結果を示す。
<Example 4>
Except for the point that the molar concentration ratio (Mn / Si) of the manganese complex to the silane coupling agent was 0.5 and the firing temperature was variously changed in the range of 350 to 650 ° C., the procedure was the same as in Example 1. A test substrate was prepared, and the adhesion strength per 4 mm 2 was measured. Table 4 shows the test results.

表4に示すように、界面層の焼成温度は、400℃以上、600℃以下の範囲において、密着強度が10N以上であり、良好な密着性を示した。400℃未満では、酸化物の形成が十分でなかったので、密着性が低下した。また、600℃を超えると密着強度が低下した。これは、高温焼成により界面層が基板と同様に安定化し、また、界面層表面にシリコン酸化物層を形成したことにより、銅配線との密着性が低減したことによると考えられる。   As shown in Table 4, the interfacial layer firing temperature was in the range of 400 ° C. or more and 600 ° C. or less, and the adhesion strength was 10 N or more, indicating good adhesion. If it was less than 400 degreeC, since formation of the oxide was not enough, adhesiveness fell. Moreover, when it exceeded 600 degreeC, the adhesive strength fell. This is presumably because the interface layer was stabilized similarly to the substrate by high-temperature firing, and the adhesion with the copper wiring was reduced by forming a silicon oxide layer on the surface of the interface layer.

<実施例5>
マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)を0.5とした点を除いて、実施例1と同様の手順により、界面層を形成したガラス基板を作製した。その後、実施例1と同様のガラスフリットを含まない銅ペーストを用いてスクリーン印刷により塗布した。次いで、0.1%の酸素を含有する窒素雰囲気中において450℃、10分で加熱して酸化処理を行い、5%の水素を含有する窒素雰囲気中において550℃、10分で加熱して還元処理を行い、電極を形成し、試験用基板を得た。実施例1と同様の手順で引張試験を行ったところ、4mm当たりの密着強度が23Nであった。この試験用基板に対して、集束イオンビーム(FIB)装置を用いて薄片試料を作製し、透過電子顕微鏡で組織観察をした。また、X線エネルギー分散分光器を用いて組成分析をした。
<Example 5>
A glass substrate on which an interface layer was formed was prepared by the same procedure as in Example 1 except that the molar concentration ratio of manganese complex to silane coupling agent (Mn / Si) was 0.5. Then, it applied by screen printing using the copper paste which does not contain the glass frit similar to Example 1. FIG. Next, oxidation treatment is performed by heating at 450 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere containing 0.1% oxygen, and reduction is performed by heating at 550 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere containing 5% hydrogen. Processing was performed to form an electrode to obtain a test substrate. When a tensile test was performed in the same procedure as in Example 1, the adhesion strength per 4 mm 2 was 23N. A thin sample was prepared on the test substrate using a focused ion beam (FIB) apparatus, and the structure was observed with a transmission electron microscope. The composition was analyzed using an X-ray energy dispersive spectrometer.

透過電子顕微鏡により、銅電極/界面層/ガラス基板からなる断面組織を観察した。観察に用いた装置は日本電子製JEM−ARM200F型透過電子顕微鏡である。図1に組織画像を示す。銅電極と界面層との境界、界面層とガラス基板の境界を点線で示した。図1の界面層内部において濃いコントラストを有し、周期的な格子縞模様を示す領域が結晶粒子である。代表例として、そのうち2個の結晶粒子について領域を実線で囲んで示した。   A cross-sectional structure consisting of a copper electrode / interface layer / glass substrate was observed with a transmission electron microscope. The apparatus used for the observation is a JEM-ARM200F type transmission electron microscope manufactured by JEOL. FIG. 1 shows a tissue image. The boundary between the copper electrode and the interface layer, and the boundary between the interface layer and the glass substrate are indicated by dotted lines. A region having a strong contrast inside the interface layer in FIG. 1 and showing a periodic checkered pattern is a crystal particle. As a representative example, two of the crystal grains are shown by surrounding the region with a solid line.

図1に示すように、界面層には、結晶構造を有する結晶粒子が分布して存在していた。そこで、この結晶粒子の存在密度を求めるために、長さ方向に100nmの界面層を含むように低倍率で撮影し、界面層の厚さの中央部を境として銅電極側とガラス基板側との各領域に分けて観察を行い、長さ方向に100nmの界面層において各領域の面積に対する結晶粒子が占める面積の比率を算出した。その結果、結晶粒子の存在密度は、ガラス基板側が銅電極側より多く、約5.2倍であった。5か所の界面領域において同様の分析を行ったところ、ガラス基板側の結晶粒子の存在密度は、銅電極側と比較して、1.2倍以上7.8倍以下の範囲であった。   As shown in FIG. 1, crystal grains having a crystal structure are distributed in the interface layer. Therefore, in order to obtain the existence density of the crystal particles, the image was taken at a low magnification so as to include the interface layer of 100 nm in the length direction, and the copper electrode side and the glass substrate side were separated from the central part of the interface layer thickness. Observation was performed separately for each region, and the ratio of the area occupied by crystal grains to the area of each region in the 100 nm interface layer in the length direction was calculated. As a result, the density of crystal particles was about 5.2 times higher on the glass substrate side than on the copper electrode side. When the same analysis was performed in the five interface regions, the existence density of the crystal particles on the glass substrate side was in the range of 1.2 times to 7.8 times compared to the copper electrode side.

界面層近傍の元素濃度分布を分析するために、上記と同型の透過電子顕微鏡を用いた。また透過電子顕微鏡には、同社製のJED−2300T型エネルギー分散型X線分析装置が装着されており、それに付随する標準分析ソフトウェアを用いて構成元素の濃度を得た。いずれも標準的な装置である。分析に用いた電子線の直径は2nmとし、界面層近傍の代表的な領域において、銅電極部分からガラス基板に向けて一直線上に電子線を走査し、銅(Cu)、マンガン(Mn)、シリコン(Si)、酸素(O)の濃度分布を計測した。図2に計測結果を示す。図2の曲線は、測定位置における各元素の存在割合を原子%(at%)で示したものである。図2において、銅電極側におけるCuとOの濃度分布が交差する銅側境界(銅電極と界面層との境界)と、ガラス基板側におけるSiとCuの濃度分布が交差する基板側境界(ガラス基板と界面層の境界)とで挟まれた部分が界面層に相当する。その中央部より銅電極側の第1の領域、ガラス基板側の第2の領域における構成元素の平均濃度は、図2の線分析から得られた濃度分布曲線の総和を、各領域の長さで除することによって求めた。第1の領域(「Mn濃化層」と称する。)においては、Mnの平均濃度がCuの平均濃度より2.8倍高く、Siの平均濃度より2.7倍高かった。また、第2の領域(「Cu濃化層」と称する。)においては、Cuの平均濃度がMn平均濃度より3.1倍高く、Si平均濃度より3.7倍高くなっていた。   In order to analyze the element concentration distribution in the vicinity of the interface layer, a transmission electron microscope of the same type as described above was used. The transmission electron microscope is equipped with a JED-2300T type energy dispersive X-ray analyzer manufactured by the same company, and the concentration of the constituent elements was obtained using standard analysis software associated therewith. Both are standard devices. The diameter of the electron beam used for the analysis was 2 nm, and in a typical region near the interface layer, the electron beam was scanned in a straight line from the copper electrode portion toward the glass substrate, and copper (Cu), manganese (Mn), The concentration distribution of silicon (Si) and oxygen (O) was measured. FIG. 2 shows the measurement results. The curve in FIG. 2 shows the abundance of each element at the measurement position in atomic% (at%). In FIG. 2, the copper side boundary (boundary between the copper electrode and the interface layer) where the Cu and O concentration distributions intersect on the copper electrode side and the substrate side boundary (glass) where the Si and Cu concentration distributions intersect on the glass substrate side. A portion sandwiched between the substrate and the interface layer) corresponds to the interface layer. The average concentration of the constituent elements in the first region on the copper electrode side and the second region on the glass substrate side from the center is the sum of the concentration distribution curves obtained from the line analysis in FIG. Calculated by dividing by. In the first region (referred to as “Mn-enriched layer”), the average concentration of Mn was 2.8 times higher than the average concentration of Cu and 2.7 times higher than the average concentration of Si. In the second region (referred to as “Cu-enriched layer”), the average Cu concentration was 3.1 times higher than the Mn average concentration and 3.7 times higher than the Si average concentration.

その他の5か所の界面領域において同様の組成分析をしたところ、第1の領域ではMn平均濃度のCu平均濃度に対する比率は1.3倍以上、4.7倍以下であった。第2の領域ではCu平均濃度のMn平均濃度に対する比率は1.4倍以上、10.2倍以下であった。また、同じ第2の領域でのCu平均濃度のSi平均濃度に対する比率は1.2倍以上、9.3倍以下であった。   When the same composition analysis was performed in the other five interface regions, the ratio of the Mn average concentration to the Cu average concentration in the first region was 1.3 times or more and 4.7 times or less. In the second region, the ratio of the Cu average concentration to the Mn average concentration was 1.4 times or more and 10.2 times or less. Further, the ratio of the Cu average concentration to the Si average concentration in the same second region was 1.2 times or more and 9.3 times or less.

図2の分析結果から界面層内には酸素が含まれており、界面層の銅電極側にあるMn濃化層には、Mnを主体とする酸化物が存在し、界面層の基板側のCu濃化層には、MnおよびSiを主体とする酸化物が存在することを確認できた。
また、界面層の基板側には多数の結晶粒子が存在している。図2に示した銅元素の濃度は、基板側の第2の領域で第1の領域よりも高い数値を示している。この組成分布の分析結果に加えて、高分解能格子像の高速フーリエ変換で得られた回折パターンの分析結果から、この結晶粒子は、主に銅から構成されている面心立方構造を有する粒子であることを確認できた。図3は、これらの計測結果から得られた界面層構造について模式的に示したものである。
From the analysis results of FIG. 2, the interface layer contains oxygen, and the Mn-concentrated layer on the copper electrode side of the interface layer contains an oxide mainly composed of Mn. It was confirmed that an oxide mainly composed of Mn and Si was present in the Cu concentrated layer.
In addition, a large number of crystal grains exist on the substrate side of the interface layer. The concentration of the copper element shown in FIG. 2 is higher in the second region on the substrate side than in the first region. In addition to the analysis result of this composition distribution, from the analysis result of the diffraction pattern obtained by the fast Fourier transform of the high-resolution lattice image, this crystal particle is a particle having a face-centered cubic structure mainly composed of copper. I was able to confirm that there was. FIG. 3 schematically shows the interface layer structure obtained from these measurement results.

<比較例>
比較のために界面層の焼成温度を650℃とした点を除いて、実施例5と同様の手順により、4mm当たりの密着強度が10N未満の試料を作製した。そして、この試料を用いて、実施例5と同様の手順で組織観察および組成分析を行ったところ、界面層中において結晶粒子の形成は観察されなかった。また、界面層のMnとSiの濃度分布はほぼ一様であった。このことから、本発明は、銅電極と基板との界面層において、結晶粒子の存在と、MnおよびSiの偏在した組成分布が形成されることにより、高い密着強度が得られ、良好な密着性を呈したと考えられる。
<Comparative example>
For comparison, a sample having an adhesion strength per 4 mm 2 of less than 10 N was prepared by the same procedure as in Example 5 except that the firing temperature of the interface layer was 650 ° C. When this structure was used for structure observation and composition analysis in the same procedure as in Example 5, formation of crystal particles was not observed in the interface layer. The concentration distribution of Mn and Si in the interface layer was almost uniform. From this, the present invention provides high adhesion strength and good adhesion by forming the presence of crystal grains and the uneven distribution of Mn and Si in the interface layer between the copper electrode and the substrate. It is thought that was exhibited.

<実施例6>
マンガン錯体のシランカップリング剤に対するモル濃度比(Mn/Si)を0.5としたこと、ガラス基板をアルミナ(Al)、水晶(SiO)、炭化ケイ素(SiC)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si)の基板に変えたこと以外は、実施例1と同様の手順により試験用基板を作製し、密着性を評価した。それぞれの基板における4cm当たりの密着強度は、28N、26N、17N、14N、15N(誤差は±2.4N)であり、いずれの基板においても10N以上の密着強度が得られた。
<Example 6>
The molar ratio (Mn / Si) of the manganese complex to the silane coupling agent was set to 0.5, and the glass substrate was made of alumina (Al 2 O 3 ), crystal (SiO 2 ), silicon carbide (SiC), aluminum nitride ( A test substrate was prepared by the same procedure as in Example 1 except that the substrate was changed to AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4 ), and the adhesion was evaluated. The adhesion strength per 4 cm 2 of each substrate was 28 N, 26 N, 17 N, 14 N, and 15 N (error is ± 2.4 N), and adhesion strength of 10 N or more was obtained in any substrate.

Claims (6)

無機材料基板上に銅電極を有する電子部品の製造方法において、前記基板上に界面層を形成する界面層形成工程と、前記界面層の上に前記銅電極を形成する電極形成工程とを含み、前記界面層は、銅、マンガン、シリコンおよび酸素を含有し、銅を主体とする結晶粒子を分散して含み、
前記界面層形成工程は、マンガン錯体とシランカップリング剤を含む界面層原料溶液(ただし、銅錯体を含む界面層原料溶液を除く)を、前記基板上に塗布した後に、酸素を含有する雰囲気において、150℃以上225℃以下の温度で第1の加熱処理を行い、その後、400℃以上600℃以下の温度で第2の加熱処理を行って前記界面層を形成することを含み、
前記電極形成工程は、前記界面層の上に銅ペーストを塗布する工程、その後、不活性ガス雰囲気で乾燥する工程、その後、酸素を含有する雰囲気で酸化焼成する工程、その後、一酸化炭素、アルコールまたは水素を含有する雰囲気で還元する工程により、前記銅電極を形成することを含む、電子部品の製造方法。
In a method for manufacturing an electronic component having a copper electrode on an inorganic material substrate, including an interface layer forming step of forming an interface layer on the substrate, and an electrode forming step of forming the copper electrode on the interface layer, The interface layer contains copper, manganese, silicon and oxygen, and includes dispersed crystal particles mainly composed of copper,
In the interface layer forming step, an interface layer material solution containing a manganese complex and a silane coupling agent (excluding an interface layer material solution containing a copper complex) is applied on the substrate, and then in an atmosphere containing oxygen. Performing a first heat treatment at a temperature of 150 ° C. or higher and 225 ° C. or lower, and then performing a second heat treatment at a temperature of 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower to form the interface layer,
The electrode forming step includes a step of applying a copper paste on the interface layer, a step of drying in an inert gas atmosphere, a step of oxidizing and firing in an atmosphere containing oxygen, and then carbon monoxide and alcohol. Or the manufacturing method of an electronic component including forming the said copper electrode by the process reduced in the atmosphere containing hydrogen.
前記マンガン錯体の前記シランカップリング剤に対するモル濃度比Mn/Siが0.3以上1.7以下である、請求項1に記載の電子部品の製造方法。   The manufacturing method of the electronic component of Claim 1 whose molar concentration ratio Mn / Si with respect to the said silane coupling agent of the said manganese complex is 0.3 or more and 1.7 or less. 前記不活性ガス雰囲気で乾燥する工程における温度が、150℃以上250℃以下である、請求項1又は2に記載の電子部品の製造方法。 The manufacturing method of the electronic component of Claim 1 or 2 whose temperature in the process dried in the said inert gas atmosphere is 150 degreeC or more and 250 degrees C or less. 前記酸素を含有する雰囲気で酸化焼成する工程における温度が、350℃以上600℃以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品の製造方法。 The manufacturing method of the electronic component as described in any one of Claims 1-3 whose temperature in the process of oxidizing and baking in the atmosphere containing the said oxygen is 350 degreeC or more and 600 degrees C or less. 前記一酸化炭素、アルコールまたは水素を含有する雰囲気で還元する工程における温度が、350℃以上600℃以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品の製造方法。 The manufacturing method of the electronic component as described in any one of Claims 1-4 whose temperature in the process reduced in the atmosphere containing the said carbon monoxide, alcohol, or hydrogen is 350 degreeC or more and 600 degrees C or less. 前記電極形成工程は、ガラスフリットを含有しない銅ペーストを用いて前記銅電極を形成することを含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品の製造方法。 The said electrode formation process is a manufacturing method of the electronic component as described in any one of Claims 1-5 including forming the said copper electrode using the copper paste which does not contain a glass frit.
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